METHODES D ANALYSES BIOLOGIQUES

Ministère de L’enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie

D’Oran Mohamed Boudiaf

Faculté des Sciences de la Nature et de la Vie Département de Biotechnologies

Polycopié du cours

DESTINE AUX ETUDIANTS (LICENCE MASTER DOCTORAT) EN NUTRITION ALIMENTAIRES ET PATHOLOGIES

Réalisé par :

Dr BENYAHIA-MOSTEFAOUI AICHA

Année : 2021

METHODES D’ANALYSES

BIOLOGIQUES

PREAMBULE

Toutes les méthodes d'analyse donnent des résultats présentant un certain degré d'incertitude, qui doit être pris en compte lorsqu'on choisit la méthode à utiliser à une fin particulière. Cette incertitude peut avoir des incidences importantes lorsqu'une concentration donnée d'une substance constitue un niveau d'intervention.

Les méthodes de caractérisation et d'analyse sont indispensables pour vérifier la composition des produits (chimique, pharmaceutique, agro-alimentaire, eau, etc.) et des matériaux.

«Techniques d'analyse» permet de connaître les possibilités et les limites de chacune, les instruments utilisés et de faire un choix judicieux face à un problème donné.

On doit connaître les caractéristiques de performance "interne" d'une méthode analytique pendant la période considérée lorsqu'on l'utilise sur des substances à analyser. Toute méthode analytique utilisée sur des substances à analyser doit être appliquée de manière cohérente et accompagnée de procédures de contrôle de la qualité.

Une analyse utilisant une méthode sur des substances à analyser doit avoir fait la preuve de sa compétence en la matière pendant la période considérée. Il doit y avoir des preuves documentaires que chacun de ces principes est observé.

Le client et l'analyste doivent être bien d'accord sur la manière dont les données doivent être utilisées si l'analyste doit produire des résultats de "qualité" (c'est-à-dire aptes à leur emploi).

Le choix de la méthode d'analyse doit tenir compte de la nature des résultats recherchés.

Ce polycopié représente le programme qui est destiné aux étudiants licence-master-doctorat (LMD) en nutrition alimentaire et pathologique en unité d’enseignement découverte selon le nouveau CANEVAS. Il a été conçu dans le souci d’en faire un document assez riche pour donner à l’étudiant les notions de base lui permettant de comprendre les Méthodes et Techniques d'Analyses Biologiques 1 (MTAB1) et vise à former des professionnels capables de mettre en œuvre les techniques d'analyses courantes et récentes, de participer à des développements analytiques nouveaux et de s'adapter à l'évolution des métiers de l'analyse.

Table des matières

Chapitre I :Méthodes de fractionnement

II- Propriétés induisant le fractionnement ... 1

III- Espèces à fractionner ... 1

A- La Filtration ... 1

I- Principe ... 1

II- Équipement: Les filtres ... 2

II-1- Filtre nutsche ... 2

II-2- Filtre presse ... 2

II-3-Filtre à manches ... 3

II-4-Filtre en profondeur ... 3

II-5-Efficacité absolue ... 3

II-6- Le papier filtre ... 4

III-Méthodes de filtration ... 5

III-1- La filtration Classique ... 5

III-2- La filtration Sous vide ... 6

III-3- La filtration sous pression ... 6

III-4- La filtration gravidique ... 7

IV- Ultrafiltration ... 7

IV-1- En médecine ... 8

IV-2- Dans l'industrie agroalimentaire ... 8

B- La dialyse ... 9

I- Introduction ... 9

II- Les mécanismes impliqués dans la dialyse : la diffusion et l’ultra-filtration. ... 10

II-1 La diffusion ... 10

II-2- L’ultra filtration ... 11

II-3- Eau pour hémodialyse... 11

II-3-1- Principe de fonctionnement du traitement d’eau ... 11

II-3-1-1- Méthode de filtration ... 11

II-3-1-2- Méthode d’échange d’ions (adoucisseur) (Fig.14) ... 11

II-3-1-3- les dés ionisateur ou l’osmoseur ... 12

III- Electrodialyse ... 12

III-2- Electrodialyse ... 14

IV- RESULTATS ... 16

IV-1- Dessalement des eaux saumâtres ... 16

IV-2- Traitement des sous-produits de l'industrie laitière ... 16

C- La centrifugation ... 17

I- Définition ... 17

II-Principe de Base ... 18

III- MÉTHODES ET APPAREILLAGE ... 20

III-1- Rotors ... 20

III-1-1- Les rotors à angle fixe ("fixed angle") ... 21

III-1-2- Les rotors à godets mobiles ("swinging buckets") ... 21

III-1-3- Les rotors à godets verticaux ... 22

III-2- Les types de centrifugeuses ... 22

III-2-1- Centrifugeuses de table ... 23

III-2-2- Centrifugeuses au sol ... 23

III-2-3- Ultracentrifugeuses ... 23

III-2-4- Microcentrifugeuses ... 23

III-2-5- Ultracentrifugeuses analytiques ... 23

III-3- Types de séparation par force centrifuge ... 24

III-3-1- Centrifugation différentielle ... 24

III-3-2- Centrifugation par gradient de densité ... 25

IV- Différences entre la centrifugation différentielle et à gradient de densité... 25

Chapitre II : Techniques de conservation

I-1- Conservation des matières agricoles, des produits alimentaires intermédiaires et des aliments ... 28

I-2- Procédés traditionnels ... 28

I-3- Coup de projecteur sur les altérations des aliments ... 29

I-4- Généralités sur les modes de conservation ... 30

I-4-1- Physiques ... 30

I-4-2- Chimiques ... 30

II- LA CONSERVATION PAR SECHAGE ... 30

III- LA CONSERVATION PAR LA DESHYDRATATION ... 30

III-1- Les avantages de la déshydratation ... 31

III-2- Les inconvénients de la déshydratation ... 31

IV-LA CONSERVATION PAR LA LYOPHILISATION... 32

IV-1- Les avantages de la lyophilisation ... 32

IV-2- Les inconvénients de la lyophilisation ... 32

IV-3- La nature des collections ... 32

V- La conservations par le sel, la fumée, le sucre, l’alcool et l’acide, mais aussi le gras ... 33

V-1- Le sel, le salpêtre, les nitrites ... 33

V-2- La fumée ... 34

V-3- La conservation par le sucre ... 34

V-4- La conservation par l’alcool ... 34

V-5- La conservation par le gras ... 34

VI- La conservation par la chaleur ... 35

VI-1- La stérilisation ... 35

VI-2- La pasteurisation ... 35

VI-3- L’appertisation ... 36

VII- La conservation par le froid ... 36

VII-1- La réfrigération ... 36

VII-2- La congélation ... 37

VII-3- La surgélation ... 38

VII-4- Conservation de quelques denrées ... 38

VII-4-1-Viande ... 38

VII-4-2-Poisson ... 39

VII-4-3-Fruits ... 39

VII-4-4-Les légumes ... 39

VIII- Les agents de conservation chimiques ... 40

IX- Les autres méthodes de conservation ... 41

IX-1- La fermentation ... 41

IX-2- La conservation sous-vide ... 41

IX-3- La ionisation ou irradiation ... 42

Chapitre III : Techniques de dosage

I-1- Unités enzymatiques et vitesse initiales ... 44

I-2- Calculs ... 45

I-4- Enzyme Conversion angiotensine ... 47

I-4-1- Les inhibiteurs de l’enzyme de conversion (IEC) ... 48

II- Dosage biologique des hormones ... 49

II-1 Dosage du cortisol plasmatique: utilité et pièges diagnostiques... 49

II-1-1- Dosage du cortisol total ... 50

II-1-2- Dosage du cortisol libre ... 50

II-2- Dosage des hormones thyroïdiennes T3 et T4 ... 50

III- Dosage des β-hcg sanguine (test de grossesse) ... 51

III-1-Le diagnostic de grossesse ... 52

IV- Dosage des anticorps anti-thyroglobuline ... 52

IV-1- Dosage des anticorps anti-thyroglobuline et anti-thyroperoxydase (TPO). ... 53

IV-2- Traitement (à titre indicatif) ... 54 Référence Bibliographique

Liste des Figures

Fig. 1: Montage d’une filtration Fig. 2: Filtre à manches verticales Fig. 3: Ernst Wilhelm Büchner Fig. 4: Schéma d’un papier filtre Fig. 5: Utilisation d’un papier filtre Fig. 6: Schéma d’une filtration classique Fig. 7: Schéma d’une filtration sous vide Fig. 8: Filtration sous pression

Fig. 9: Montage pour mesurer le carbone et l’hydrogène contenus dans un composé organique.

Fig. 10: La membrane semie perméable Fig. 11: La dialyse dans le dialyseur Fig. 12: La dialyse péritonéale Fig. 13: L’ultra filtration

Fig. 14: Méthode d’échange d’ions Fig. 15: Membranes électrodialyse Fig. 16: Electrodialyseur

Fig. 17: Echangeuses d'ions

Fig. 18: Electrodialyseur dans l’industrie Fig. 19: La centrifugation

Fig. 20: Principe de la centrifugation Fig. 21: La force centrifuge

Fig. 22: La décantation

Fig. 23: Sédimentation des particules (cercle noir) dans divers types de rotor Fig. 24: Les rotors à godets verticaux

Fig. 25: La centrifugation différentielle à rotors à godets verticaux

Fig. 26: La centrifugation par gradient de densité.

Fig. 27: Les différents types de conservations Fig. 28: Une des conservations

Fig. 29: Conservation par déshydratation

Fig. 30: Quelques exemples de spécimens lyophilisés Fig. 31: La stérilisation

Fig. 32: La réfrigération

Fig. 33: Les différentes températures de congélation Fig. 34: La conservation de quelques denrées Fig. 35: La conservation sous-vide

Fig. 36: L'activité enzymatique Fig. 37: La cinétique

Fig. 38: La longueur d’onde en nm Fig. 39: Réaction enzymatique Fig. 40: La thyroïde

Liste des Tableaux

Tableau I : Valeurs cibles du dosage des hormones thyroïdiennes

Chapitre I :

Méthodes de fractionnement

I- Méthode de fractionnement

Le fractionnement est un procédé de séparation d'un mélange en plusieurs fractions successives de propriétés différentes.

II- Propriétés induisant le fractionnement

Les techniques de fractionnement sont fondées sur les différences de propriété des espèces constitutives du mélange d'origine. Ces propriétés peuvent être1 :

Physiques :

 la solubilité qui peut être modifiée en jouant sur la température et sur le type de solvant utilisé.

 la température de changement de phase :

 vaporisation - condensation liquide : distillation fractionnée ;

 solidification.

 sublimation.

 la dimension moléculaire : chromatographie d'exclusion stérique (SEC) ;

 la différence de charge électrique : électrophorèse.

Chimiques :

 liaison chimique ;

 réactivité chimique...

III- Espèces à fractionner

 Les espèces à fractionner peuvent être : des isotopes, des molécules, des polymères

 Purification des protéines ;

 Fractionnement des protéines plasmatiques (voir Edwin Cohn) ; des cellules.

A- La Filtration I- Principe

La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux.

L'utilisation d'un filtre permet de retenir les particules du mélange hétérogène qui sont plus grosses que les trous du filtre (porosité). Le liquide ayant subi la filtration est nommée filtrat ou Permët, tandis que la fraction retenue par le filtre est nommé résidu, retentât ou gâteau (Fig.1).

Figure 1: le montage d’une filtration

La filtration est une technique très utilisée dans le domaine de l'agroalimentaire, de la chimie, de la pharmacie et par de nombreuses espèces animales, principalement aquatiques.

Chez les animaux filtreurs (éponges, bivalves...), c'est un mode actif d'alimentation. Le rein assure également une fonction de filtration.

II- Équipement: Les filtres

Au niveau industriel, la filtration est largement utilisée notamment dans l'industrie chimique où la filtration est une méthode de séparation de choix après une cristallisation. Différents systèmes sont disponibles en fonction des conditions de la filtration.

Dans d'autres domaines industriels (cimenterie, fonderie, etc.) la filtration est généralement effectuée par criblage / tamisage et les filtres sont, dans la grande majorité du temps, des filtres à manches.

II-1- Filtre nutsche

Il s'agit de la version industrielle du filtre Büchner utilisé au laboratoire. Cet équipement est très utilisé, car toutes les étapes de la filtration jusqu'au séchage peuvent être effectuées dans la même unité.

II-2- Filtre presse

Le filtre presse est une machine permettant de séparer un mélange solide-liquide. La pression appliquée au pressage est de quelques dizaines de bars. Une réduction de la teneur en liquide permet d'accélérer le séchage de cristaux ou de poudres; de gagner du volume au stockage des matières sèches ; de limiter la migration des « MES » (matières en suspension).

Ces machines interviennent dans de multiples secteurs d'activité : extraction minière, métallurgie, génie chimique, agro-alimentaire, épuration des eaux etc.

II-3-Filtre à manches

Les plus performants de séparer les poussières transportées par une veine d’air, collectée dans un conduit. L'aspirateur est équipé d'un sac filtrant en tissu. Les filtres à manches sont des filtres employés dans la filtration industrielle (Fig.2).

Fig. 2 : Le filtre à manches II-4-Filtre en profondeur

Les filtres en profondeur sont la variété de filtres qui utilisent un milieu de filtration poreux pour retenir les particules dans tout le milieu. La filtration en profondeur caractérisée par de multiples couches poreuses avec profondeur est utilisée pour capturer les contaminants solides de la phase liquide. Les filtres en profondeur sont généralement caractérisés par le filtre à sable.

Lorsque le mélange s'écoule à travers le filtre, les particules en suspension restent piégées dans le filtre: soit à cause de leurs dimensions, soit par effet de paroi sur la surfaces des grains. Le filtre sera d'autant plus efficace que le diamètre des grains sera plus faible et que le temps de séjour des particules dans le filtre sera long (vitesse lente ou hauteur de filtre grande).

II-5-Efficacité absolue

Elle correspond au diamètre de la plus grande particule sphérique et indéformable qui traverse le filtre dans les conditions de test spécifiées. L'entonnoir Büchner est un appareil utilisé pour la filtration assistée par pression. L'entonnoir Buchner est un entonnoir cylindrique filtrant en porcelaine (des entonnoirs en verre et en plastique sont également disponibles) qui a une plaque perforée sur laquelle le papier filtre plat est placé. Un vide dans le ballon sous le filter permet à la pression atmosphérique sur l'échantillon de forcer le liquide à travers le papier filtre. Il porte le nom du chimiste allemand Ernst Wilhelm Büchner (1850-1925) qui a conçu cet entonnoir en 1885 (Fig.3).

Fig. 3: Ernst Wilhelm Büchner II-6- Le papier filtre

Le papier filtre est un papier quantitatif utilisé pour la filtration et fait de cellulose pure traitée avec de l'acide chlorhydrique et fluorhydrique. Selon le caractère du précipité, différents types de papier filtre sont utilisés:

 Bande noire (589 1 ) - 100 ml de fluide y circulent en 20 s à 30 s. Il est utilisé pour la filtration des précipités gélatineux.

 Bande blanche (589 2 ) - 100 ml de fluide y circulent en 40 s à 60 s. Il est utilisé pour la filtration des précipités cristallins grossiers.

 Bande bleue (589 3 ) - 100 ml de fluide y circulent en 200 s à 400 s. Il est utilisé pour les précipités cristallins fins (Fig. 4, 5).

Fig. 4: Schéma d’un papier filtre

Fig.5: Utilisation d’un papier filtre

III-Méthodes de filtration III-1- La filtration Classique

Une filtration classique est plus facile à mettre en place et demande moins de matériel. Elle est très longue comparée à une filtration sous vide (Fig.6).

Fig.6 : Schéma d’une filtration classique

III-2- La filtration Sous vide

Une filtration sous vide est plus efficace mais nécessite un dispositif d’aspiration moins aisé à mettre en place. La filtration sous vide est une technique permettant de séparer un produit solide d'un liquide. .

Le mélange de solide et de liquide est versé à travers un papier filtre dans un entonnoir Büchner. Le solide est piégé par le filtre et le liquide est aspiré à travers l'entonnoir dans le ballon en dessous, sous vide (Fig.7).

Fig.7: Schéma d’une filtration sous vide III-3- La filtration sous pression

Ces filtres sont construits avec des revêtements adaptés aux conditions d’utilisation. Les dispositifs d’évacuation des eaux de lavage doivent être particulièrement soignés, de façon à en assurer une collecte uniforme (Fig.8).

Fig.8: Filtration sous pression 16510

III-4- La filtration gravidique

La mesure des émissions est une procédure essentielle pour mesurer et contrôler la pollution atmosphérique provenant de sources comme les moteurs à combustion, les centrales électriques et autres installations motorisées produisant des gaz d'échappement et des émissions par évaporation (Fig.9).

Fig.9: Montage pour mesurer le carbone et l’hydrogène contenus dans un composé organique.

Les analyses gravimétriques des particules collectées par filtration sont la méthode la plus fréquemment utilisée pour déterminer la concentration de particules dans l'air ambiant et dans les émissions.

IV- Ultrafiltration

L'ultrafiltration (UF) est une méthode de séparation membranaire, qui ne se distingue de la microfiltration ou de la nanofiltration que par la taille des particules en suspension ou en solution qui peuvent passer à travers. Pour l'ultrafiltration cette taille est entre 1 et 100 nanomètre (nm) ; cette taille est trop petite pour les bactéries, levures et la plupart des virus.

En pratique, l'ultrafiltration est majoritairement utilisée pour séparer des matières dissoutes alors que la microfiltration est majoritairement utilisée pour séparer des particules en suspension1.

Le mécanisme de séparation est un tamisage : il résulte de la différence taille entre les composants et celle des pores de la membrane, typiquement entre 2 et 50 nm (mésopores3).

IV-1- En médecine

L'hémofiltration est une ultrafiltration du sang à travers la membrane d'un hémofiltre : le produit recueilli (l'ultrafiltrat) est rejeté avec les déchets qu'il contient, le volume perdu est compensé avec du plasma.

IV-2- Dans l'industrie agroalimentaire

L'ultrafiltration est utilisée dans l’industrie agroalimentaire pour purifier ou concentrer des solutions de macromolécules (103 - 106 Da) :

Cette technique est donc utilisée pour le traitement des eaux et des effluents pollués, mais aussi pour la filtration du sang, la clarification des liquides alimentaires (jus de fruit) et la concentration du lait pour produire du fromage. L’’ultrafiltration clarifie et désinfecte l’eau en une seule étape en utilisant un seuil de filtration de l'ordre de 10 nm , tous les pollens, algues, parasites, bactéries, virus, germes et grosses molécules organiques sont stoppés. On obtient une eau clarifiée et désinfectée sans utilisation de produits chimiques.ou en plusieurs étapes préalables: dégraissage, dégrillage, décantation, etc.

B- La dialyse I- Introduction

La dialyse est un principe d’épuration sanguine. C’est une méthode d’échanges entre deux solutions, le sang et un liquide appelé « dialysat », au travers d’une membrane semi- perméable. Cette membrane possède de multiples trous ou pores permettant le passage des molécules d’eau et de solutés de petit poids moléculaire (les solutés de poids moléculaire élevé comme les protéines plasmatiques, ne peuvent pas traverser cette membrane) (Fig.10, 11).

Fig.10 : La membrane semi-perméable

Fig.11 : La dialyse dans le dialyseur

Le principe consiste à séparer deux solutions par une membrane. On distingue différents types de membranes, les membranes hémiperméables (qui ne laissent passer que le solvant) et dialysâtes (pores de diamètre de l'ordre du nanomètre (nm), identiques et connus) qui laissent passer le solvant et les solutés en dessous d'une certaine taille. Par effet de diffusion (due à l'agitation moléculaire) les petites molécules traverseront la membrane, tandis

que les grosses molécules (souvent macromolécules) seront retenues d'un côté. La principale application de la dialyse dans le domaine médical concerne les personnes dont les reins ont cessé de fonctionner, temporairement (insuffisance rénale aiguë) ou définitivement (insuffisance rénale chronique au stade terminal).

Le produit d'une dialyse (solution de recueil des petites molécules) s'appelle un dialysat.

II- Les mécanismes impliqués dans la dialyse : la diffusion et l’ultra-filtration.

II-1 La diffusion

Le transfert des solutés par diffusion au travers de la membrane de dialyse relève d’un mouvement des molécules contenues dans la solution. Si la molécule rencontre un pore dont la taille correspond à la sienne, elle traversera la membrane.

Le «gradient de concentration» du soluté de part et d’autre de la membrane est le déterminant principal de la diffusion des molécules : plus la solution a une concentration élevée plus les molécules traversent la membrane en direction de la solution dont la concentration en solutés est la plus basse. Les déchets de bas poids moléculaire (urée, créatinine, potassium, etc.) qui s’accumulent dans le sang du malade entre deux séances, sont éliminés avec le dialysat en fin de séance. Le transfert des solutés du sang vers le dialysat est rapide, la concentration en calcium dans le dialysat étant plus élevée que celle du calcium ionisé dans le sang, la séance permet un transfert de calcium vers le sang du malade (le calcium lié aux protéines ne diffuse pas). Il en est de même pour le bicarbonate (Fig.12).

Fig.12: La dialyse péritonéale

II-2- L’ultra filtration

Il s’agit du transfert des molécules d’eau à travers la membrane sous l’effet d’une pression hydrostatique (dans le cas de l’hémodialyse) ou osmotique (dans le cas de la dialyse péritonéale). Cette technique permet d’éliminer l’eau (constituant une charge hydrosodée), accumulée par le patient oligurique ou anurique entre deux dialyses (Fig.13).

Fig.13 : L’ultra filtration II-3- Eau pour hémodialyse

 Constituant majeur du dialysat produit par le générateur de dialyse.

 Est mis au contact du sang du patient au travers une membrane du dialyseur et de ce fait nécessite des qualités physicochimiques et microbiologiques irréprochables.

 Élément produit en continu à partir du réseau public grâce à un traitement d’eau mobil ou centralisé.

II-3-1- Principe de fonctionnement du traitement d’eau II-3-1-1- Méthode de filtration

 Elimination de particules en suspension (par filtre à sable et filtre à particules)

 Elimination de certains toxiques (chloramine, pesticides) par cartouche de charbon actif.

II-3-1-2- Méthode d’échange d’ions (adoucisseur) (Fig.14)

 Transforme une eau dure (riche en calcaire) par une eau douce

 Échange les ions Calcium et magnésium par du sodium

Fig.14: Méthode d’échange d’ions II-3-1-3- les dés ionisateur ou l’osmoseur

Principe cellulaire d'une dialyse : Pour un patient recevant une dialyse.

Rouge = sang

Jaune = membrane semi-perméable Bleu = liquide de dialyse

III- Electrodialyse

C’est pour faire face à des besoins en eau potable au Japon, en particulier, que l’électrodialyse a été développée en tant que procédé de dessalement de l’eau de mer à l’échelle industrielle.

Au-delà du domaine du traitement de l’eau, de nouvelles applications ont ensuite été développées, comme la déminéralisation du lactosérum, qui représente une part importante de la surface installée. Les problèmes liés à la réduction de l’impact environnemental des procédés de production offrent des perspectives encore plus vastes pour des procédés physiques comme l’électrodialyse, vis-à-vis de procédés physico- chimiques, comme l’extraction liquide- liquide, la précipitation ou l’échange d’ions sur résine, plus polluants.

En outre, la possibilité de réaliser une déminéralisation sélective, c’est-à-dire accompagnée d’une purification, devrait également ouvrir des perspectives de marché.

L'électrodialyse est un procédé de nature électrochimique. Il permet d'extraire en partie ou en totalité les ions contenus dans une solution, en conservant des substances pas ou très peu ionisées.

III-1- Membranes électrodialyse

Le transfert sélectif des espèces chargées s’effectue suivant un mécanisme d’échange d’ions de site en site entre les ions de la solution et les contre-ions de la membrane. On distingue deux types de membranes : les membranes échangeuses d’ions (MEI) et les membranes bipolaires (MB).

Ces deux types de membranes sont utilisés pour effectuer différentes transformations, selon la configuration des empilements mis en jeu. Les MEI sont parfois qualifiées de membranes homopolaires, par opposition aux membranes bipolaires MB.

Les membranes échangeuses d’ions permettent le transfert sélectif d’espèces chargées selon leur signe de charge, transfert de cations dans le cas des membranes échangeuses de cations (MEC), transfert d’anions très proches de ceux des résines échangeuses d’ions (Fig.15).

Fig.15: Membranes électrodialyse

La technologie requise pour ce procédé réside essentiellement dans l'emploi de membranes on en distingue 3 types:

 Les membranes anioniques : elles contiennent des résines à groupes cationiques fixes.

Ces groupes sont neutralisés par des anions situés dans les interstices de la résine.

Quand cette membrane est mise dans une solution d'électrolyte, les anions en solution peuvent pénétrer dans la membrane et remplacer les anions présents initialement, alors que les cations sont repoussés par les cations fixés sur la résine.

 Les membranes cationiques : le principe est identique; elles contiennent des groupes anioniques fixes qui permettent la pénétration des cations et repoussent les anions.

Les membranes industrielles possèdent des groupements fonctionnels qui sont en général un groupement sulfonique pour les membranes cationiques et un regroupement ammonium quaternaire pour les membranes anioniques.

 Les membranes bipolaires : elles consistent en la juxtaposition d'une cationique et d'une anionique. Elles permettent de régénérer l'acide et la base à partir du sel et de les séparer simultanément. (les membranes monopolaires réalisent une concentration/dilution).

III-2- Electrodialyse

Il fonctionne de la manière suivante (voir schéma ci-dessous): deux compartiments

(1) et (2) sont séparés par des membranes alternativement anioniques et cationiques. Comme leur nom l'indique, sous l'action d'un champ électrique, les premières ne se laissent franchir que par des anions, les secondes par des cations.

Les cations migrent dans le sens du courant électrique. Ils peuvent sortir du compartiment en traversant la membrane cationique, mais ils ne peuvent pas sortir du compartiment (2), car ils trouvent sur leur chemin une membrane anionique.

Les anions migrent dans le sens inverse du courant électrique. Ils peuvent eux aussi sortir du compartiment (1) en traversant la membrane anionique, mais ils ne peuvent pas sortir du compartiment (2) car la membrane cationique les en empêche (Fig.16).

Fig.16: Electrodialyseur

En conséquence, le compartiment (1) s'appauvrit en sel dissous: on l'appelle compartiment de dilution. le compartiment (2) s'enrichit en sels dissous: on l'appelle compartiment de concentration. La concentration des substances dissoutes non ionisées n'est pas modifiée.

Un électrodialyseur est constitué d'un grand nombre de compartiments alimentés en série du point de vue électrique, et en série ou en parallèle du point de vue hydraulique. Un compartiment sur deux est en dilution, un sur deux en concentration.

Aux deux extrémités de l'appareil, se trouvent les électrodes, qui permettent le passage du courant électrique. Les membranes délimitant les compartiments sont alternativement anioniques et cationiques. L'électrodialyse est employée soit en déminéralisation (dessalement), soit en concentration ionique de solutions ionisées. En galvanoplastie, elle sert au traitement d'effluents (eau de rinçage) afin d'enrichir, en les concentrant, les bains de dépôt et de les recycler.

L'électrodialyse ne doit être appliquée qu'aux composants ioniques entre les deux seuils de concentration minimum et maximum, pour éviter la cristallisation ou un trop grand résistance ohmique. Il ne faut pas essayer de dépasser la valeur des courants limites : des phénomènes secondaires peuvent créer des évolutions irréversibles sur les membranes et dans la solution (création de composés parasites par électrolyse). Les rendements d'élimination des sels étant au mieux de 44 à 46 % par passe (Degrémont), une utilisation en plusieurs passes est souvent nécessaire (Fig.17)

Fig.17: Echangeuses d'ions

L'emploi de cette technique avoisine celui des résines échangeuses d'ions avec en particulier une sensibilité aux oxydants et des risques d'empoisonnement irréversible.

L'intérêt économique de l'électrodialyse dépend de ses besoins en énergie. De plus de l'énergie nécessaire à l'écoulement des solutions dans les modules, il faut fournir:

L’énergie du transport des espèces ioniques, l'énergie dissipée par effet joule.

L'investissement est de l'ordre de 7500 F par m² de membrane installée.

IV- RESULTATS

Cette technique a deux types d'applications principales : IV-1- Dessalement des eaux saumâtres

Dont le taux de salinité est inférieur à 500 mg/l (au-dessous de ce taux, l'osmose inverse est plus intéressant). De nombreux gisements d'eaux saumâtres de ce type existent précisément dans le monde (Moyen-Orient, Afrique du Nord, Sud des Etats-Unis) et l'électrodialyse y a trouvé un vaste champs d'application. Les ions les plus fréquemment extraits sont les cations Na+ et Ca++, les anions Cl-, SO4-- et HCO3-. Côté dépenses d'énergie, il faut 1,8 kWh/m³ pour amener une solution de 1,5 à 0,5 g/l, 2,6 à 4 kWh/m³ pour amener une solution de 2,5 à 0,5 g/l, 3,2 à 4,5 kWh/m³ pour amener une solution de 1,5 à 0,5 g/l.

IV-2- Traitement des sous-produits de l'industrie laitière

Les principaux produits concernés sont les lactosérums, résultant de la production de fromage et de caséine. Les lactosérums ont une forte DCO ce qui en fait un important polluant potentiel. Contenant des constituants de haute valeur nutritive, ceux-ci peuvent être traités grâce à l'électrodialyse pour donner des produits consommables, débarrassés de produits gênants (sels minéraux, acides lactique, hydrique, sulfurique). Pour la déminéralisation de lactosérum, on note une consommation spécifique de 0,056 kW par kg de poudre déminéralisé à 50% et 0,215 kW par kg de poudre déminéralisé à 90%.

Dans l'industrie chimique, de nombreuses applications innovantes sont à l'épreuve.

L'électrodialyse est bien placée pour purifier des composés non ionisés par élimination d'électrolytes (Fig.18).

Fig.18: Electrodialyseur dans l’industrie

C- La centrifugation I- Définition

La centrifugation est un procédé de séparation mécanique des composés d'un mélange en fonction de leur différence de densité en les soumettant à une force centrifuge. Le mélange à séparer peut être constitué soit de deux phases liquides, soit de particules solides en suspension dans un fluide entraînées dans un mouvement de rotation (Fig.19).

Avant la centrifugation Après la centrifugation Fig.19 : La centrifugation avant et après

Beaucoup d'expériences en biochimie exigent une ou plusieurs étapes de centrifugation. Cette technique permet d'exposer des échantillons à de fortes accélérations qui permettent la séparation des constituants. On peut ainsi fractionner une préparation en un sédiment (ou

"culot"), constitué de matériel plus ou moins solidement entassé dans le fond du tube à centrifuger, et en un surnageant qui sera le liquide résiduel au-dessus du sédiment (Fig.20).

Fig.20 : Principe de la centrifugation II-Principe de Base

Une particule soumise à un champ gravitationnel tend à se déplacer dans ce champ jusqu'à ce qu'elle rencontre une résistance capable de l'arrêter complètement. Ce principe fondamental de physique est très utilisé en biochimie pour séparer des précipités, des cellules, des organites et même des macromolécules. En mettant une préparation biochimique dans le rotor d'une centrifugeuse et en faisant tourner celui-ci, on génère une accélération qui va pousser les particules qui la composent vers l'extérieur du rotor, c'est-à-dire le fond du tube à centrifuger. La vitesse avec laquelle se déplaceront ces particules est proportionnelle à:

 La force gravitationnelle à laquelle la particule est soumise

 La masse de la particule

 La différence entre la densité de la particule et celle du solvant et inversement proportionnelle

 La friction avec le milieu, en fonction de la taille et à la géométrie des particules.

Une particule donnée a donc une vitesse spécifique de sédimentation lors d'une centrifugation parce qu'elle a une combinaison donnée de masse, de densité et de morphologie. On exprime souvent cette caractéristique en coefficient de sédimentation, généralement exprimée en unités Svedberg (S). Plus une particule est massive ou dense ou ne génère qu'une faible friction (due à sa forme), plus son S sera élevé. Cette unité de "taille" est particulièrement employée pour caractériser les particules ribosomiques. C'est pourquoi on parle encore de ribosomes 70 S

Fig.21: La force centrifuge

On peut facilement générer une force centrifuge en faisant tourner à haute vitesse un rotor pouvant contenir des tubes à centrifuger. Une force gravitationnelle se forme alors perpendiculairement à l'axe de rotation du rotor.

Si on laisse reposer une suspension solide dans une phase liquide, on observe que les particules, sous l'action de la pesanteur et de la poussée d'Archimède, tendent à tomber vers le fond ou à remonter vers la surface selon leur densité et leur taille. Ce procédé, la décantation, est cependant relativement lent pour les très fines particules (sensibles à l'agitation thermique) et les liquides particulièrement visqueux.

On a donc eu l'idée de décupler le pouvoir séparateur du champ de pesanteur vertical en lui substituant un champ centrifuge radial. Il s'agit donc d'entraîner un appareil (le "bol") à grande vitesse, en rotation autour d'un axe. Son accélération, proportionnelle à la distance à l'axe de rotation, varie comme le carré de la vitesse. À 10 000 tr/mn, on obtient, à 10 cm de l'axe, une accélération mille fois plus grande que celle de la pesanteur. Dans le cadre du traitement des effluents, le coefficient de centrifugation se situe en général autour de 10 000 g.

On peut agir sur plusieurs paramètres pour augmenter l'efficacité de la centrifugation :

 le diamètre des particules, en utilisant des floculants.

 la différence de densité.

 la viscosité du fluide, qui diminue avec l'élévation de la température.

 la surface de base du bol.

 la vitesse de rotation, qui laisse la plus grande latitude de réglage.

On distingue deux domaines de centrifugation : la décantation (par séparateur) et la filtration (par essoreuse) centrifuges (Fig.22).

Fig. 22: La décantation III- MÉTHODES ET APPAREILLAGE

La principale limite qui détermine la vitesse de rotation du rotor est évidemment la force du moteur qui le fait tourner. Plus le rotor est lourd et volumineux, plus l'effort que doit fournir le moteur est grand.

On a développé une gamme d'appareils en fonction des besoins expérimentaux, particulièrement au niveau des accélérations requises, des volumes de matériel à centrifuger, de la température de travail, etc.

III-1- Rotors

La fabrication et la conception des rotors doivent tenir compte de nombreuses contraintes. Ils doivent être évidemment suffisamment résistants pour supporter les accélérations voulues mais suffisamment légers pour que le moteur de la centrifugeuse puisse les faire tourner à la vitesse requise.

Pour les centrifugations à faible vitesse peuvent se faire avec des rotors en acier. Cependant, pour les fortes accélérations, on utilise des alliages à base de métaux à la fois légers et résistants comme l'aluminium et le titane. Les rotors faits de matériaux composites (à base de fibres de carbone), extrêmement résistants et légers, ont même fait leur apparition depuis quelques années.

C'est pourquoi chaque rotor a une vitesse maximale à laquelle on peut les faire tourner. Il est essentiel de respecter scrupuleusement cette limite pour éviter le bris du rotor ou celui du moteur.

Une autre contrainte est la dimension du rotor. Pour maximiser la vitesse de rotation il faut minimiser le rayon du rotor, donc sa taille. Pour centrifuger de gros volumes, il faut évidemment de plus gros rotors, ce qui explique que les rotors de grande capacité ne peuvent tourner qu'à des vitesses réduites.

Il existe trois grands types de rotor: à angle fixe, à godets mobiles et verticaux.

III-1-1- Les rotors à angle fixe ("fixed angle")

Sont faits de blocs de métal (aluminium, titane) avec des puits creusés à l'intérieur et inclinés avec un certain angle par rapport à l'horizontale, généralement de l'ordre de 15° à 35° selon les modèles. Les tubes à centrifuger sont déposés dans ces puits. Comme ces rotors sont relativement compacts. Ils sont plus faciles de les faire tourner rapidement à cause de leur rayon relativement court.

Les particules sédimenteront surtout le long de la paroi du tube. De plus, elles s'accumulent plutôt sur des côtés du fond du tube à centrifuger. Pour certains types de particules cela engendre une friction qu'elles ne peuvent pas supporter et se brisent. Cependant, la plupart des centrifugations à vitesses moyennes et élevées se font avec ce type de rotor.

III-1-2- Les rotors à godets mobiles ("swinging buckets")

Se réorientent lors de la centrifugation. En effet, les godets sont disposés sur des crochets ou un système à bascule. Quand la rotation du rotor débute les godets (et les tubes qu'ils contiennent), sous l'effet de la force centrifuge, se réorientent et passent en position horizontale. Les particules peuvent donc sédimenter directement dans le fond du tube sans jamais heurter les parois du tube. Elles s'accumulent dans le fond du tube à centrifuger. Le principal inconvénient de ce type de rotor est qu'il ne peut pas atteindre des vitesses très élevées comparé à l'autre. En effet, les godets en position horizontale allongent énormément le rayon du rotor, ce qui rend plus difficile de lui imprimer des vitesses de rotations élevées.

Ce genre de rotor est utilisé principalement dans les centrifugations en gradients discontinus ou continus (Fig.23)

Fig. 23: Sédimentation des particules (cercle noir) dans divers types de rotor

La migration d'une particule dans les deux principaux types de rotor. La plus grande partie du déplacement des particules dans un rotor à angle fixe se fait le long de la paroi distale du tube, ce qui n'est pas le cas dans le rotor à godets mobiles. La position du sédiment est aussi

différente: bien centrée dans le fond du tube dans le rotor à godets mobiles, décalée vers le coté distal de la paroi du tube dans le rotor à godets mobiles.

III-1-3- Les rotors à godets verticaux

Les rotors verticaux sont beaucoup moins répandus et sont essentiellement utilisés pour les gradients de type iso pycniques ou zonaux (Fig.24)

Fig. 24: Les rotors à godets verticaux

III-2- Les types de centrifugeuses

Il existe deux catégories principales de centrifugeuses :

Les centrifugeuses à axe vertical, appelées communément clarificateurs ou séparateurs centrifuges (avec un bol à assiettes ou à chambres qui tourne sur un axe vertical) ;

Les centrifugeuses à axe horizontal, appelées communément décanteurs centrifuges (avec un bol cylindroconique qui tourne sur un axe horizontal et une vis disposée à l’intérieur du bol permettant l’évacuation des sédiments).

Ces dispositions de construction déterminent en partie les domaines d’utilisation de ces équipements.

III-2-1- Centrifugeuses de table

Les modèles les plus simples, souvent appelées centrifugeuses cliniques, permettent d'atteindre de faibles accélérations (1000 à 3000 xg) à des vitesses de rotation relativement basses (moins de 3000 RPM). Certains modèles sont réfrigérés, certains autres non.

III-2-2- Centrifugeuses au sol

Ces appareils sont un peu plus complexes. Elles permettent d'obtenir des vitesses de rotation de l'ordre de 30 000 RPM, donnant pour les plus petits rotors des accélérations d'environ 20 000 xg. Tous les modèles sont réfrigérés. Ces centrifugeuses permettent de centrifuger relativement de gros volumes. Certains rotors peuvent même contenir quatre ou six bouteilles de 250 mL.

III-2-3- Ultracentrifugeuses

Ce sont des appareils complexes et coûteux qui permettent d'atteindre des accélérations très élevées (jusqu'à 300 000 xg) en faisant tourner des rotors très rapidement (50-85 000 RPM).

De telles vitesses de rotation ne peuvent s'obtenir que sous pression très réduite. Les faibles pressions permettent aussi d'éviter la surchauffe du rotor et de l'échantillon. Tous les modèles sont réfrigérés. Ces appareils doivent donc être munis de pompe à vide et de systèmes de réfrigération. Les volumes sont quelques peu limités, généralement on ne trouve pas de rotors pouvant contenir plus d'une dizaine de tubes de 40 mL. Récemment, la compagnie Beckman a fabriqué un modèle d'ultracentrifugeuse tournant à 130,000 rpm générant des accélérations de plus d'un million de g!

III-2-4- Microcentrifugeuses

On a aussi développé des centrifugeuses spécialement conçues pour les micro- volumes très souvent employés en biochimie moderne. Les microtubes à centrifuger sont des petits tubes coniques généralement de 1.5 mL fait de polypropylène et assez peu dispendieux. Les centrifugeuses de ce type peuvent être réfrigérées et atteindre des accélérations de l'ordre de 12-15 000 x g. Les modèles les moins couteux n'ont pas de contrôle de vitesse et ne sont pas réfrigérés.

III-2-5- Ultracentrifugeuses analytiques

Ce sont des appareils de moins en moins utilisés. Ces centrifugeuses servent surtout à analyser la taille et la masse des particules et des protéines. D'autres techniques beaucoup moins coûteuses sont utilisées de nos jours: électrophorèse, filtration sur gel... On peut déterminer avec une grande précision la masse et le coefficient de sédimentation des protéines et autres particules par ultracentrifugation analytique (UCA). Les méthodes à équilibre d'UCA permettent aussi de déterminer la masse.

Cette technique exige un appareillage (centrifugeuse, rotor, etc.) spécialisé à cette fin.

III-3- Types de séparation par force centrifuge III-3-1- Centrifugation différentielle

La centrifugation différentielle (également connue sous le nom de centrifugation à vitesse différentielle) est une procédure courante en biochimie et en biologie cellulaire, qui est utilisée pour séparer les organites et autres particules sous- cellulaires en fonction de leur vitesse de sédimentation . Bien que souvent appliquée en analyse biologique, la centrifugation différentielle est une technique générale également adaptée à la purification brute de particules non vivantes en suspension (par exemple, nanoparticules , particules colloïdales , virus ). Dans un cas typique où la centrifugation différentielle est utilisée pour analyser des phénomènes biologiques cellulaires (par exemple la distribution des organites), un échantillon de tissu est d'abord lysé pour briser les membranes cellulaires et libérer les organites et le cytosol (Fig.25)

Fig. 25: La centrifugation différentielle à rotors à godets verticaux

Le lysat est ensuite soumis à des centrifugations répétées , où les particules qui se sédimentent suffisamment rapidement à une force centrifuge donnée pendant un temps donné forment un

«culot» compact au fond du tube de centrifugation. Après chaque centrifugation, le surnageant (solution sans culot) est retiré du tube et recentrifugé à une force et / ou un temps centrifuge accrus . La centrifugation différentielle convient aux séparations brutes sur la base de la vitesse de sédimentation, mais des purifications plus fines peuvent être effectuées sur la base de la densité par centrifugation à gradient de densité à l' équilibre . Ainsi, la méthode de centrifugation différentielle est la granulation successive des particules du surnageant précédent, en utilisant des forces de centrifugation de plus en plus élevées. Les organites cellulaires séparés par centrifugation différentielle maintiennent un degré de fonctionnement normal relativement élevé, tant qu'ils ne sont pas soumis à des conditions dénaturantes pendant l'isolement.

III-3-2- Centrifugation par gradient de densité

La centrifugation par gradient de densité est la méthode indiquée pour la purification d'organelles sub-cellulaires et de macromolécules. Les gradients de densité peuvent être réalisés en superposant des couches de milieu à gradient, du sucrose par exemple, dans un tube de façon à ce que la couche la plus lourde se trouve au fond et la plus légère sur le dessus, en continu ou non. La fraction cellulaire que l'on cherche à séparer est ensuite placée sur la couche supérieure et centrifugée. La séparation par gradient de densité peut être classée en deux catégories : 2a. La séparation zonale (taille). et 2b. La séparation isopycnique (densité) (Fig.26).

Fig. 26: La centrifugation par gradient de densité.

IV- Différences entre la centrifugation différentielle et à gradient de densité

La différence entre les techniques de centrifugation différentielle et à gradient de densité est que cette dernière méthode utilise des solutions de différentes densités (par exemple, saccharose, ficoll) ou des gels à travers lesquels l'échantillon passe. Cela sépare l'échantillon en couches par densité relative, basé sur le principe que les molécules se déposent sous une force centrifuge jusqu'à ce qu'elles atteignent un milieu avec la même densité que la leur. Le degré de séparation ou le nombre de couches dépend de la solution ou du gel. La centrifugation différentielle, par contre, n'utilise pas de gradient de densité, et la centrifugation s'effectue à des vitesses de plus en plus rapides. Les différentes vitesses de centrifugation créent souvent une séparation en pas plus de deux fractions, de sorte que le surnageant peut être séparé davantage dans des étapes de centrifugation supplémentaires. Pour cela, à chaque étape, la vitesse de centrifugation doit être augmentée jusqu'à ce que les particules souhaitées soient séparées. En revanche, la centrifugation en gradient de densité est généralement effectuée avec une seule vitesse de centrifugation.

Chapitre II :

Techniques de conservation

I- INTRODUCTION

La conservation est généralement définie comme une méthode utilisée pour préserver un état existant ou pour empêcher une altération susceptible d’être provoquée par des facteurs chimiques (oxydation et se base sur la modification des caractéristiques et intrinsèque de l’aliment comme le pH, l’activité de l’eau ou l’incorporation d'additifs dans l’aliment en vue de sa conservation), physiques (température, lumière, la pression, l’irradiation ionisante et le champ électrique) ou biologiques (repose sur l’utilisation des microorganismes pour la modification des caractéristiques physico- chimiques de l’aliment ; la technique la plus connue est la fermentation). La vitesse d'altération dépend des caractéristiques « intrinsèques

» liées à l’aliment et aux conditions « extrinsèques » qui sont liées à l’environnement.

Les conditions intrinsèques et extrinsèques constituent des barrières (ou des obstacles) au développement des microorganismes ou aux mécanismes d’altération non microbienne. Les techniques de conservation des aliments reposent sur l’exploitation de ce principe des barrières pour préserver la qualité et la sécurité des denrées alimentaires (Fig.27).

Fig. 27: Les différents types de conservations

La conservation des aliments sert à préserver leur comestibilité ainsi que leurs qualités organoleptiques et nutritives. En effet, elle empêche le développement de bactéries ; de champignons ; de micro-organismes qui pourraient entraîner une intoxication alimentaire.

L’Homme, depuis son origine, a toujours eu besoin de stocker et conserver son alimentation afin d’assurer sa subsistance et faire face aux famines. Il a vite compris qu’il fallait mettre ses denrées alimentaires à l’abri de la lumière, de la chaleur, de l’humidité et des prédateurs.

Séchage ; salage; saumurage ; fumage ; conservation dans de l’huile, du miel, du sable.

Nombreuses ont été les techniques utilisées.

I-1- Conservation des matières agricoles, des produits alimentaires intermédiaires et des aliments

Les technologies de conservation sont applicables indistinctement à des matières premières agricoles, des P.A.I. et des aliments. Elles permettent une fourniture alimentaire stable, compensant ainsi la saisonnalité des productions, et un approvisionnement des métropoles urbaines à partir des zones de production et de transformation, échanges accentués par l'internationalisation du marché alimentaire. À partir d'un objectif simple – maintenir le maximum de valeur nutritionnelle et apporter le moins possible de modifications induites (texture, couleur, goût) –, les questions à résoudre sont la diminution, voire l'arrêt, des réactions enzymatiques et chimiques : les transferts d'eau et de soluté entre les différents compartiments d'un aliment (responsable des pertes de texture), les changements de phase (séparation de phases, cristallisation des matières grasses ou de l'amidon, responsable du rassissement du pain).

Les solutions technologiques sont multiples et reposent sur deux variables majeures : la disponibilité de l'eau, mesurée par l'activité de l'eau, et la température. Les micro- organismes ainsi que les tissus vivants (fruits et légumes) présentent deux variables complémentaires : le pH et la disponibilité de l'oxygène. Plusieurs technologies combinent ces différentes variables pour tirer parti des synergies.

I-2- Procédés traditionnels

Les procédés les plus traditionnels sont le séchage au soleil, le salage, la fumaison ou boucanage, le saumurage, les fermentations – éthanolique (vins, cidres) et lactique (fromages, choucroute, levains de panification) – et la conservation par le sucre et l'acide acétique (vinaigre).

La clé de l'inhibition du développement des micro-organismes est de s'attaquer aux éléments nécessaires à leur croissance : l'eau, l'oxygène, la température. Le séchage est de loin le procédé le plus ancien et le plus répandu. L'addition de sel ou de sucres (saccharose, lactose, glucose).

A partir de la révolution industrielle, les techniques évoluent en même temps que se développe l’industrie agro-alimentaire. Le point sur quelques-unes des techniques existantes : La combinaison de plusieurs techniques de conservation peut être également envisagée afin d’augmenter la durée de vie d’un aliment sans provoquer une modification significative de ses caractéristiques sensorielles et nutritives (Fig.28).

Fig. 28: Une des conservations

Conserver les denrées alimentaires restent une nécessité pour les individus afin d’avoir des apports nutritionnels qualitatifs et quantitatifs répondant à leurs besoins journaliers tout en offrant une souplesse au niveau « logistique » alimentaire.

Au début, il y a eu le séchage, puis les conservations par le sel, le sucre (comme les confitures de nos grand-mères !), la fermentation (vin, fromage,…). Puis sont apparues les procédés de conservation par la chaleur puis par le froid très connu au domicile de chacun d’entre nous.

Bien que ces deux derniers processus interviennent comme agents de conservation dans les technologies actuelles et industrielles, en association, il est intéressant de coupler une « couverture protectrice » (salaison, boucanage, fumage, sucrage, confisage, acidification) afin de maintenir les aliments à l’abri de l’air. L’association de plusieurs technologies préserve au mieux les qualités d’origine des aliments et sécurise le consommateur. Il est ainsi possible de pasteuriser et réfrigérer, mettre sous-vide et surgeler, saler et fumer.

I-3- Coup de projecteur sur les altérations des aliments

Elles peuvent provenir de d’altérations physiques et/ou chimiques, enzymatiques (hydrolyse par exemple de l’amidon de la banane en glucides simples), de dégradations dues aux réactions chimiques (réaction de Maillard ou encore brunissement non enzymatique, oxydations des acides gras insaturés, des vitamines…).

Les facteurs influençant positivement ou négativement l’altération, et donc la conservation, sont la durée, l’humidité (activité de l’eau), la température, le pH, la lumière, ainsi que la composition de l’atmosphère (oxygène, CO2, N2).

I-4- Généralités sur les modes de conservation I-4-1- Physiques

Diminution de l’activité de l’eau : on élimine l’eau par les procédés de déshydratation, lyophilisation, concentration, salage, séchage, confisage. Elimination de micro-organismes : ionisation, champs électriques pulsés et hautes pressions (pasteurisation).

Inhibition ou destruction des enzymes et micro-organismes : le froid par la réfrigération/

congélation/ surgélation, la chaleur par la la pasteurisation, la stérilisation (appertisation, ultra-haute-température UHT, conservation des plats chauds préparés et consommés le jour même à une température ≥ +63°C.

I-4-2- Chimiques

Les additifs pour la conservation comme les antifongiques, antibactériens, anti- oxygènes…, le fumage (couplage salage/déshydratation/conservation de la fumée).

Atmosphériques

Atmosphère modifiée. Thermiques

Par le froid, associé aux autres méthodes afin d’améliorer la conservation en qualité et sur le temps.

II- LA CONSERVATION PAR SECHAGE

Aux premières et simples méthodes de conservation (le séchage), ont succédé les techniques de salaison, la conservation par le sucre (les confitures) etc…

Consiste à enlever l'excès d'humidité par évaporation de l'eau. On aboutit à des produits alimentaires dits secs, tels que les haricots, saucissons, etc..

Le séchage est une méthode de conservation des aliments par déshydratation ou dessiccation.

Il permet de ralentir la progression des bactéries, des levures et des moisissures en réduisant la quantité d'eau libre. Le séchage est une technique de conservation ancienne remontant au moins à 12 000 avant Jésus christ

III- LA CONSERVATION PAR LA DESHYDRATATION

La déshydratation est une technique physique de conservation des aliments. L’objectif de cette technique est de provoquer l’élimination d’eau de l’aliment (poisson, viande, légume, fruit, lait, céréale, purée de pomme de terre…) par une source de chaleur (four, soleil, séchoir à air chaud ventilé, à rayons infrarouges…) afin de diminuer l’humidité du produit, et ainsi ralentir les réactions enzymatiques et empêcher la prolifération microbienne. Les produits séchés sont avides d’eau ! La conservation à température ambiante est tout à fait possible, si l’aliment est bien emballé, à l’abri de l’humidité environnante.

Ce procédé présente deux intérêts principaux : l'activité de l'eau du produit ainsi traité atteint des valeurs suffisamment basses pour inhiber le développement des microorganismes et stopper les réactions enzymatiques ; la diminution du poids et du volume est une économie importante pour le conditionnement, le transport et le stockage. Suivant l'intensité de déshydratation, on distingue:

III-1- Les avantages de la déshydratation

Une réduction de poids et de volume, entraînant de ce fait une économie pour le stockage, le transport et en course au niveau densité énergétique (rapport énergie/poids/volume maximal).

III-2- Les inconvénients de la déshydratation

 Un coût élevé au niveau industriel ;

 Une perte en certaines vitamines ;

 Une altération du goût des aliments ;

 Une réhydratation non optimale.

Dès les origines de l’humanité, les denrées alimentaires ont été séchées au soleil, dans des « séchoirs », puis dans des fours. Aujourd’hui, on déshydrate les denrées avec des déshydrateurs, des rampes infrarouges (Fig.29).

Fig.29: Conservation par déshydratation

La finalité étant d’ôter suffisamment d’eau du produit pour bloquer le développement de micro-organismes.

D’autres méthodes permettent de freiner ou bloquer le développement microbien en réduisant l’activité de l’eau tout en conférant du goût à l’aliment comme le fumage, le salage ou la conservation par le sucre. Techniques utilisées pour les viandes, poissons, fromages, confitures, fruits confits

Le lait en poudre, les céréales, les fruits secs se conservent à température ambiante. Ce, quand ils sont conditionnés dans des emballages les protégeant de l’humidité tout en conservant les qualités nutritionnelles. Cependant, cette méthode de conservation peut détruire partiellement les vitamines.

IV-LA CONSERVATION PAR LA LYOPHILISATION

Ce processus consiste en une congélation, puis une mise sous vide suivi d’une

sublimation de la glace (l’abaissement de la pression entraîne une sublimation de la glace qui passe à l’état de vapeur) et une désorption de l’eau pour obtenir un produit sec tout en conservant les qualités organoleptiques du produit de départ (cas de soupes, lait, lait diététique infantile, cacao, café, thé, fruits, légumes, champignon, sauce, herbes aromatiques, …). C’est une déshydratation après congélation.

Cette technique est intéressante lorsque le sportif recherche un gain de poids et une densité énergétique importante, c’est le cas de courses en ultra, randonnées extrêmes par exemple où l’athlète doit s’auto-suffire et gérer ses rations quotidiennes.

Attention, ces aliments solides ont l’aspect poreux et sont très friables. Ils sont avides d’eau comme les produits déshydratés et donc, doivent être conservés à l’abri de l’humidité.

Cette technique qui donne des produits de qualité se réhydratant bien, reste d'un prix de revient élevé. Elle est réservée à certaines applications comme le café soluble, certains potages instantanés et à l'alimentation de personnes en conditions extrêmes (astronautes, alpinistes ...).

IV-1- Les avantages de la lyophilisation

La durée de stockage à température normale (jusqu’à plusieurs années);

La conservation des vitamines, surtout si emballage sous vide (abri de l’air) et opaque (abri de la lumière);

La conservation des qualités organoleptiques (texture, couleur, saveur…) et physiques (à l’inverse de la déshydratation);

Le poids et le volume des aliments sont fortement diminués : praticité d’utilisation dans les sports en autonomie complète.

IV-2- Les inconvénients de la lyophilisation

Technique très coûteuse (consommatrice d’énergie +) : prix de revient élevé. Ce procédé est limité aux aliments en poudre ou en petits morceaux car la lyophilisation d’aliments plus importants est trop énergivore !

IV-3- La nature des collections

Les collections du Musée comptent de très nombreux spécimens naturalisés, c’est-à- dire conservés grâce à des méthodes de taxidermie, le plus souvent dans une posture qui rappelle l’animal en action. Aujourd’hui, les taxidermistes utilisent divers matériaux pour donner forme à l’animal, alors qu’ils utilisaient autrefois la paille de bois, d’où l’expression « animal empaillé ».

De nombreuses autres méthodes permettent également de conserver les plantes et les animaux des collections : le simple séchage à l’air libre des plantes et des insectes, la conservation dans

La lyophilisation consiste à retirer l’eau contenue dans les objets et les organismes congelés grâce à un équipement spécialisé. Cette technique largement reconnue est utilisée dans le secteur de l’alimentation, de l’industrie pharmaceutique, mais également pour la restauration d’objets archéologiques, d’archives, de vanneries et de textiles gorgés d’eau, par exemple.

L’eau est éliminée par sublimation de la glace, un processus où les cristaux de glace passent directement de l’état solide à l’état gazeux, sans passer par l’état liquide. Le résultat final permet d’obtenir un objet ou un spécimen complètement déshydraté, sans déformation.

Cette technique contribue ainsi à conserver l’intégrité des spécimens, tout en préservant leur forme et, dans bien des cas, leurs couleurs : des caractéristique bien appréciées en muséologie! L’absence de produits chimiques est aussi un avantage considérable lorsqu’on veut les manipuler (Fig.30).

Fig. 30: Quelques exemples de spécimens lyophilisés :

V- La conservations par le sel, la fumée, le sucre, l’alcool et l’acide, mais aussi le gras

Ces différents composés sont des antiseptiques dont l’objectif est d’arrêter la prolifération bactérienne.

V-1- Le sel, le salpêtre, les nitrites

Ce sont des antibactériens, et agissent sur les réactions enzymatiques. Le salage se réalise à sec ou à l’aide de saumures avec plus ou moins d’aromates. Ce procédé est utilisé pour les poissons (morue, hareng, anchois,…) mais aussi les viandes (par injection dans les masses musculaires comme le porc).

Ces dernières, les charcuteries, les viandes (jambonneau, échine de porc…) changent de couleur pour passer de la couleur rouge à brune avec en parallèle une modification du goût.

Ce procédé est aussi utilisé pour les poissons (morue, hareng, anchois, etc.).

V-2- La fumée

Quant à elle, très odoriférante, est produite par la combustion de bois (hêtre, frêne…), et reste un procédé naturel (assez lent). Cette fumée naturelle est remplacée progressivement par des moyens industriels (solutions phénoliques, acides organiques aux vertus antiseptiques) donnant l’impression du « goût de fumée ».

Tous les produits fumés sont salés au préalable, alors que les produits salés ne sont pas tous fumés. Par ce procédé, l’humidité du produit alimentaire est abaissée, ce qui a pour conséquence une diminution de l’activité bactériologique et donc du développement microbien. Les différentes charcuteries type saucisson, jambon se conservent à température ambiante, alors que les aliments comme le saumon fumé, hareng fumé, maquereau fumé, jambon cuit sont conservés à une température plus basse au réfrigérateur. La durée de conservation peut être de plusieurs semaines, voir plusieurs mois.

V-3- La conservation par le sucre

Utilisée pour stopper la prolifération bactérienne en favorisant l’action de certains micro- organismes qui entrent en concurrence avec ces premiers, la conservation par le sucre est souvent associée à la conservation par la chaleur (ci-après). Les sucres, contenus dans les aliments, se combinent avec les bactéries pour donner des acides (lactiques, propioniques) aux caractéristiques antibactériennes. C’est le cas de la choucroute, des cornichons (fermentation lactique), le raisin, la pomme (fermentation alcoolique donnant le vin, et le cidre), le fromage pour ce qui est de fermentations multiples..

Aussi, le confisage dans le sucre (cuisson associée à la concentration du sirop de sucre qui pénètre dans les fruits par effet osmotique) possède des propriétés antibactériennes. Cette technique est utilisée pour les confitures, les conserves de fruits, les fruits confits.

V-4- La conservation par l’alcool

Elle concerne plus les fruits (cerises, prunes, poires, pommes…) et celle par l’acide, représentée par le vinaigre, va être intéressante pour les petits légumes (cornichons, carottes, tomates cerises…).

V-5- La conservation par le gras

Enfin, pour ce qui est de la conservation par le gras, l’aliment (morceaux d’oie, canard,…) est cuit dans la graisse puis conservé au froid, entouré par une couche de gras opaque abritant de l’air et de la lumière.

L’avantage de l’ensemble de ces techniques est de pouvoir réaliser celles-ci chez soi, de moduler de manière plus ou moins volontaire le goût des aliments (le goût et la texture ne sont plus identiques à ceux du produit d’origine, ce qui peut être un inconvénient) et d’enrichir la gamme des saveurs.